Doppler radar observation, CG lightning activity and aerial survey of a multiple downburst in southern Germany on 23 March 2001

Two downburst events from one thunderstorm are investigated, which occurred on 23 March 2001, in Germany's climatologic annual minimum of downburst activity. Observations by two Doppler radars are combined with hail reports, ground lightning detection and an aerial survey conducted after the event. The downburst-producing storm had formed at a synoptic convergence line within the warm sector of a cyclone. It had a remarkably high propagation speed of up to 31 m s^− 1 corresponding to the mid-tropospheric flow. Thus, by superposition with the storm motion, even two weak downbursts were sufficient to cause the observed damage of F1 and F2 intensity, respectively. While in its late stages, the storm was dynamically characterized by lower- and mid-tropospheric divergence; at about the time of the first downburst, a mesocyclonic vortex signature was verified. Aside from mid-tropospheric dry air entrainment, a thermodynamic explanation for the triggering of the two downbursts by melting of small hail according to recent findings by Atlas et al. [Atlas, D., Ulbrich, C.W., Williams, C.R., 2004. Physical origin of a wet microburst: observations and theory. J. Atmos. Sci. 61, 1186–1196] appears probable. Despite the lack of warnings to the public, the storm's potential for hail and strong straight-line winds was detected by the German weather service radar software CONRAD more than a half hour before the downbursts occurred.     

地球-电离层空腔舒曼共振日变化特征分析

全球雷电活动在地球-电离层空腔中产生的极低频(ELF)信号干涉叠加,在一系列固定频率上产生舒曼共振(SR)。利用2012年5月以色列Mitzpe-Roman(MR)站ELF水平磁场资料,采用频谱变换、时间平均、分析了实测SR日变化信号的时域和频域特征。同时基于全球ELF传播模式,利用OTD/LIS雷电卫星资料模拟了5~30 Hz磁场功率谱日变化情况。结果表明:时域背景信号幅值的均值和偏差满足正态分布的期望和标准差;水平磁场前三阶SR谐振频率非常稳定,月平均下的谐振频率日变化相对8、14、20 Hz理论值的偏移量分别不超过0.3 Hz、0.55 Hz和0.6 Hz。东南亚和美洲地区雷电活动主要响应于南北磁场分量第一阶SR的07—09时和19—22时时段内。而东西磁场分量前三阶SR在12—15时时段内都对非洲地区雷电活动有指示作用。磁场功率谱日变化模拟结果与实测基本一致,表明利用单站正交磁天线的不同阶SR信号能够指示全球不同"热斑"区域的雷电活动。     

优化网格法在小面积区域雷暴特征分析中的应用

为满足小面积区域(10 000 km²左右)雷电防御工作准确化、精细化的要求, 选取人工观测半径用以优化1 km×1 km网格的雷电参数。实例分析表明:优化网格法可以修正1 km×1 km相邻网格的年平均地闪密度值的大幅波动, 避免相邻网格突变值的出现。也可以使1 km×1 km网格的雷电日更符合气象意义。并可以准确分析用于表征区域强雷暴分布的平均单位雷电日地闪密度和最大单位雷电日地闪密度等雷电参数。     

积云模式下三维闪电分形结构的数值模拟

为了提高积云模式对雷暴云内电过程的模拟能力,将Mansell提出的放电参数化方案在起始击穿阈值和闪电通道感应电荷的分配过程上进行改进,耦合了已有的三维强风暴动力—电耦合模式中。对STEPS(Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study)试验中一次雷暴个例以及对中纬度地区理想雷暴个例的模拟表明,引入了新放电参数化方案的模式模拟出闪电在发展特性和几何结构上和观测结果有较好的一致性。模拟结果还表明:闪电的类型与极性取决于背景电荷结构以及闪电的起始位置,只有底部存在正电荷堆时才会产生负地闪,且负地闪的起始点均具有较高的负电势。闪电通道上感应电荷的沉降会改变通道附近水成物粒子上携带的电荷,这对雷暴云内复杂电荷结构的形成有重要作用。经统计,模拟的地闪和云闪通道的分形维数平均值分别为1.47和1.69。对起始击穿阈值的敏感性试验表明,随着起始击穿阈值的增大,首次闪电时间会向后推迟,当采用逃逸击穿时首次闪电产生的时间最早;闪电数量随起始击穿阈值的增大而减少;当使用固定击穿阈值(100,150和200 k V)时得到的云地闪比均小于使用逃逸击穿时得到的云地闪比,使用逃逸击穿时得到的云地闪比与观测结果最为接近。     

一次强雷暴中的多灾种天气特征对比分析

用Micaps和NCEP再分析资料对2012年7月3日发生在淮河以南地区的大范围强雷暴天气进行了分析,得出高、低空急流配置,形成低空辐合,高空辐散,槽线由高到低前倾,有利增强大气不稳定层结,中尺度切变线南北摆动具有触发对流作用等,为该区强雷暴多灾种天气的发生,提供了动力和热力条件。从云图、雷达参数和地闪特征对比分析得出冰雹、雷击、强降水,分别发生在强对流云团发展的不同时间和不同部位。其云团的形态、强度和范围等也不同。冰雹所表现出的回波强度、回波顶高和垂直积分液态水含量为最强,雷击次之,强降水最弱。在地闪出现的各个阶段都有可能出现雷击事故,但多为负地闪,强度均较强。强降水过程多为负地闪,强度较弱,降水集中时段,地闪频次高。冰雹发生时地闪频数明显下降,且多为正闪。雷击过程强度和陡度变化最平缓,冰雹过程突变最明显。雷击发生在整个地闪过程中强度和陡度都相对较大的时刻;冰雹发生前约半小时有强度和陡度的骤增;强降水阶段地闪平均强度和陡度都最小。     

北京及周边地区雷暴阵风锋特征统计分析

为全面和系统研究北京及周边地区阵风锋各方面特征,使用2006—2015年暖季（5—9月）北京多普勒雷达探测资料及北京、河北、天津自动气象站观测资料对北京及周边地区的阵风锋过程进行综合统计分析。结果表明,346次阵风锋过程有232次触发了对流,占总数的67%,表明阵风锋对雷暴具有较强的抬升触发能力。阵风锋在6—8月出现的日数占5—9月阵风锋总日数的85%;出现的时段主要是午后至傍晚（12—21时,北京时）,维持时间0.5—3 h;阵风锋在北京东南方向生成的数量最多,且触发对流的次数也最多;其次为偏东和东北方向;偏南和西南方向生成阵风锋数量居中,而偏北、偏西和西北地区阵风锋个例相对较少,触发对流的比例也相对较低。产生阵风锋的母风暴中48%为孤立雷暴（包括孤立多单体和超级单体风暴）,31%为雷暴群,21%为飑线;97%的母风暴最强回波在50 dBz以上,阵风锋的回波强度为10—25 dBz。91%的阵风锋移动速度集中在10—60 km/h,84%的阵风锋与母风暴的最大距离为1—60 km;在母风暴回波强度减弱到30 dBz以下时,80%的阵风锋能够继续维持的时间不超过2 h。阵风锋母风暴向东南方向移动的个例最多,从阵风锋和母风暴移动方向的关系来看,阵风锋与母风暴移向一致的情况占比最高,为32%,其次为母风暴无移动及阵风锋弧形扩散情况,各占17%;阵风锋与母风暴移向相反情况所占比例最低,只有3%。最后统计了阵风锋经过地面自动气象站时,自动观测量的变化情况。结果显示,阵风锋在经过地面自动气象站时会造成风速增大、温度降低、相对湿度增大、气压升高。      

2017年秋季河北一次飑线引发的雷暴大风过程分析

利用常规地面高空观测资料、地面自动站资料、NCEP 1°×1°再分析资料、卫星云图、多普勒天气雷达资料等,对2017年秋季发生在河北省中部的一次由飑线引发的雷暴大风天气进行分析。结果表明：本次雷暴大风过程发生在高空冷涡底部,槽后冷空气与低层暖平流叠加配合地面冷锋的有利天气背景下,由飑线回波直接造成。环境条件中水汽和热力达到了中国华北地区产生强雷暴大风的平均值,大气温度直减率和垂直风切变比夏季更适宜,但能量不如夏季充足。飑线的强度、形态与夏季产生雷暴大风的雷达回波特征无异,但依据低层径向速度大值区预警秋季飑线大风需提高阈值。秋季飑线过程中地面同样伴随风场辐合、雷暴高压等中尺度系统,冷池密度流作用有利于地面大风产生。     

西天山地区雷暴和闪电特征

利用西天山地区14个气象站1960-2010年雷暴资料和新疆雷电监测网2008年观测资料,分析了西天山地区雷暴和闪电变化特征。结果表明：西天山地区年平均雷暴日数分布呈东西多,南北少的形势。该区域年平均雷暴日数在17.3～85.5 d之间,并以2.7 d/10 a的速率减少。西天山地区雷暴日数的年变化呈单峰型,并在6-7月达到最大值。整个区域以正闪为主,正闪占总闪的比例达66%。该区域闪电电流强度在-130~+63 kA之间,负闪强度大于正闪强度。     

雷暴大风环境特征及其对风暴结构影响的对比研究

2009年6月3日,受冷涡后部次天气尺度横槽的影响,在相邻的两个区域先后出现雷暴大风天气,造成两地强风的风暴类型、地面大风分布及灾害程度差异显著。风暴结构分析表明:产生晋陕大风的雷暴类型为一般单体风暴和脉冲风暴,而产生商丘致灾大风的则为典型的弓形回波。结合观测和数值模拟资料分析产生上述两类雷暴大风的环境要素,并构建其环境温、湿度廓线,结果表明:(1)晋陕大风区环境探空温、湿度廓线呈倒V形,为典型的干下击暴流探空廓线,类似探空在中国西部高原地区夏季常见;(2)商丘雷暴大风区环境温、湿度廓线类似典型湿下击暴流探空。数值模拟给出了典型的一般单体特征结构,老雷暴单体出流在其前方触发新单体。在中低层相对干的环境下多个对流单体的冷下沉形成冷池,强风由对流单体下沉辐散气流叠加在冷池密度流上造成。两类雷暴大风环境风垂直切变特点为:深层环境风垂直切变较弱、强水平风垂直切变集中在中低层。数值模拟表明:在这种风垂直切变配置下,低层湿度成为风暴结构的决定因素:中-高湿度环境下形成高度组织化的飑线,且其单体具有较强中层旋转;低湿度环境下产生组织程度差的一般单体和脉冲风暴,并基于高分辨率数值模式模拟结果给出了环境影响风暴结构的物理图像。     

西藏地区雷暴与大气热源关系研究

利用1979～2008年NCEP/NCAR全球再分析月平均资料和雷暴记录资料, 运用相关分析和合成分析等方法分别对西藏地区大气热源和雷暴日数的关系以及热源强弱不同时期雷暴日数变化特征进行了分析。结果表明, 大气热源与雷暴日数存在着明显的正相关关系, 月相关系数高达0.86。在雷暴高发区的那曲东部、拉萨、日喀则中部、山南地区东北部和林芝地区西北部, 相关系数均超过了0.4。进一步分析表明, 当大气热源强值年时, 整个日喀则地区、拉萨地区、山南地区、那曲中西部和东部地区以及昌都地区中西部, 雷暴日数是偏多的。当大气热源偏弱时, 雷暴日数在日喀则中部地区减少最为明显, 其次在日喀则南木林县东北部和林芝西北部地区。